MEMS熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的信號調(diào)理及智能控制.pdf

1、氣象檢測與人們的日常生活息息相關(guān)，并在環(huán)境監(jiān)測、工農(nóng)生產(chǎn)等許多領(lǐng)域起著非常重要的作用。MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器可以同時測量風(fēng)速和風(fēng)向，具有比較高的可靠性和低成本，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)杯和風(fēng)向標。本文從系統(tǒng)角度出發(fā)，從風(fēng)速風(fēng)向測量的基礎(chǔ)開始研究，重點分析從外界風(fēng)場到測量風(fēng)場、芯片溫度場、測量電路的風(fēng)場數(shù)據(jù)傳遞全過程，通過優(yōu)化流體外殼、芯片版圖以及電路系統(tǒng)明顯提升了傳感器的性能。
　　 本文將風(fēng)速風(fēng)向的測量分為三個過程：外界風(fēng)場進入傳感器

2、外殼在芯片附近形成測量風(fēng)場；測量風(fēng)場作用于芯片附近的溫度場形成新的測量溫度場；電路系統(tǒng)獲取測量溫度場的溫差和加熱電壓信息處理為測量風(fēng)速和風(fēng)向。這三個過程也可以看成是外界風(fēng)場信息傳遞的過程，在外界風(fēng)場、測量風(fēng)場和測量溫度場相互轉(zhuǎn)化的過程中，風(fēng)速和風(fēng)向信息將產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，如何優(yōu)化傳感器來減小系統(tǒng)誤差是本文的目的。
　　 在測量風(fēng)場的研究過程中，首先確定了風(fēng)速風(fēng)向的可測條件：風(fēng)速一一對應(yīng)、風(fēng)向一一對應(yīng)及層流性；其次確定了影響測量風(fēng)場的

3、兩大類因素：外界風(fēng)場和外殼結(jié)構(gòu)，然后通過Ansys模擬分析主要因素對測量風(fēng)場的影響，根據(jù)可測條件確定了外殼結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后完成傳感器外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計、外觀設(shè)計、裝配設(shè)計以及防水設(shè)計。
　　 在測量溫度場的研究中，首先分析了測量風(fēng)場與測量溫度場的關(guān)系；其次分析了溫度場測量風(fēng)速風(fēng)向存在偏差的成因，提出了溫度場設(shè)計思路：溫度場均衡和測量點均衡，并給出了相應(yīng)的解決方案；最后對溫度場均衡進行了版圖設(shè)計，通過實驗獲得并分析了測量結(jié)果，驗證了測量

4、溫度場的設(shè)計思路。
　　 在電路系統(tǒng)的研究中，發(fā)現(xiàn)雙模式加熱電路存在的一系列無法克服的問題，同時根據(jù)新外殼和新版圖調(diào)整了電路系統(tǒng)，采用恒溫差加熱模式，加熱電壓用于測量風(fēng)速，上下游溫差用于測量風(fēng)向。新的傳感器完全克服了雙模式加熱傳感器存在風(fēng)速風(fēng)向無法同時測量、風(fēng)速風(fēng)向測量不準確、可靠性差、功耗大等一系列問題，明顯地提升了傳感器的性能。
　　 本文的風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)經(jīng)過全方位的性能測試，顯示出較大的性能提升，為本實驗室的M